ZQ1030型皮卡車驅動橋,后懸架設計【含CAD圖紙+文檔】

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機電工程學院 畢業(yè)設計外文資料翻譯 設計題目: ZQ1030型皮卡車驅動橋、后懸架設計 譯文題目: 能量回收，乘坐舒適性和道路操縱的 再生車輛懸架系統(tǒng) 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 正文：外文資料譯文 附 件：外文資料原文 指導教師評語： 簽名： 20XX年 03 月 10 日 正文：外文資料譯文 文獻出處：振動與聲學期刊 2013年2月 135卷 能量回收，乘坐舒適性和道路操縱的再生車輛懸架系統(tǒng) 雷佐 張培生 紐約州立大學石溪分校 機械工程學系 摘要：本文提出一種用于在汽車懸架系統(tǒng)和能量收獲之間的權衡,乘坐舒適,和道路操控與分析、仿真和實驗綜合評價的能力。在ISO標準中不規(guī)則建模為平穩(wěn)隨機過程與路面不平度的激勵。系統(tǒng)H2范數(shù)的概念用于獲得平均發(fā)電值和車身加速度的均方根值(積質量)和動態(tài)tire-ground接觸力(路處理)。四分之一汽車模型,是對一個平均功率的解析。大眾汽車在路面不平度、車輛速度、懸架剛度、阻尼減震器、輪胎剛度等方面進行了研究。實驗分析的結果表明,路面不平度、輪胎剛度和車輛行駛速度都有很大的影響,在懸架剛度和減震器阻尼對汽車質量不敏感。在平均速度60英里每小時的公路上，100 - 400 w平均功率，該裝置可用在中型車上。 關鍵詞：減震器；乘坐舒適性；懸架剛度 1介紹 當車輛行駛在路上,司機總是受到從道路違規(guī)行為,激發(fā)制動力量,加速度力量和慣性力曲線的影響,導致司機不適和影響駕駛。粘性激波吸收器,在懸架彈簧應用的同時,廣泛用來減少振動造成的熱量浪費。為了達到更好的乘坐質量和道路處理,主動懸掛已被許多研究人員研究［1］。然而,它需要大量的能量,這限制了它廣泛應用的實現(xiàn)。因此,再生懸架提出,在獲取懸架振動能量同時減少振動[2,3]。 對振動的可行性能量收集車輛懸架方面的最初理論研究，在二十年以前就已經開始了。Karnopp［4,5］檢查可能性汽車機械阻尼器的磁馬達消散能源的使用永久性時使用可變電阻。陸·席格[6]分析了高速公路的路面粗糙度對車輛的阻力和懸架阻尼運動的影響,他們表示乘用車以30英里每小時的速度行駛時，近似200 w的功率由阻尼器消散。[7]在高速公路駕駛條件下，電氣主動制導懸架系統(tǒng)LQG控制和估計400 w的能量,可采用5%的推進力量保持每小時60英里。Abouelnour和Hammad[8]的觀點將電機能源中斷,及其仿真基于1/4車輛模型預測,150 w的能量消散通過減震器可以被轉化為56英里每小時的電能。戈德納等人[9]在車輛和能量回收做了一些初步的研究，聲稱對于一個2500磅的車輛平均45英里/小時的速度20 - 70%(7500 W)的推進力量在一個典型的高速公路山川等條件下可恢復能量。[10]滾珠絲杠類型電磁建模應用于汽車主動懸架阻尼器,他們實驗表明行駛速度為50英里/小時的C類車輛從一個沖擊吸收器能量回收15.3 w,主要來自振動超過2赫茲時收集的。Zhang et al[11]測試了一個真正的汽車利用再生滾珠絲桿和三相電動機在隨機激勵下振動試驗,獲得11.7W下的隨機激勵或46W四個減震器。 雖然最初已經完成再生車輛關于懸掛潛在力量的工作,仍存在不清楚的問題:(1)什么是收獲的潛力?文獻[4]的數(shù)量在一個非常大的不同范圍,從46 w到7500 w；(2)道路的粗糙度和行車速度是什么關系；(3)敏感收獲的能力隨車輛參數(shù)變化嗎；(4),如果我們從懸架系統(tǒng)提取更多的能量，那么乘坐質量(振動強度)和道路處理(tire-ground接觸力)是否會更好?這些懸而未決的問題對理解再生懸架和再生減震器的設計具有非常重要的引導作用。本文通過創(chuàng)建一個road-vehicle-suspension系統(tǒng)數(shù)學模型解決上述問題，它在同一時間系統(tǒng)地分析了車輛動力學、乘坐舒適,道路處理和潛在的能力。 2車輛和道路動力學建模 本節(jié)將討論機動車動力學的建模和性能指標包括能源、乘坐舒適和道路裝卸。 2.1四分之一汽車模型 車輛在道路上行駛時，車輪遵循路面的不規(guī)則性，這成為車輛垂直振動的主激勵光源。圖1（左）顯示了四分之一的汽車模型，該建模為兩個自由度，懸架的剛度k2和阻尼系數(shù)C2，輪胎剛度K1，車輪質量m1，以及車體質量平方米。輪胎剛度通常是很小的，動態(tài)方程可以寫為 電磁脈沖 阻尼器（C2） 輪胎剛度（K2) 電池 電磁式振動能量采集器（C2） 輪胎（M1） 輪胎（M1） 輪胎剛度（K1） 彈簧剛度（K2） 彈簧剛度（K2） ） 簧載質量（M2） 簧載質量（M2） 圖1 1/4車輛模型和粘滯阻尼器(左)和1/4車輛模型與電磁收集器(右) 圖1（右）示出了具有進行粘性油阻尼器被替換的電磁換能器的再生懸浮四分之一的汽車模型?？梢钥闯?，該電磁減震器將是一種理想的粘滯阻尼器，外部電阻負載（R）和可忽略的線圈電感（L）[12]。 ke和kt back EMF分別為電壓和力量換能器的常數(shù),并且M是運動傳遞的運動放大器陽離子。在再生懸架系統(tǒng)中，振動能量可以被轉換成電能，并在能夠在同一時間提供所需的阻尼C2。電力存儲在電池中，使用功率調節(jié)電力電子技術，其可以進一步用于自供電的有源或半主動振動控制。 2.2路面不平度 不規(guī)則的道路是隨機的,在較寬的范圍內變化。道路粗糙度通常表示為2/（周期/ M），給定的位移功率譜密度（PSD）的一個平穩(wěn)高斯隨機過程[13-15]: 在v/m的空間頻率周期,v0參考空間頻率位移PSD在 vb0是路面不平度系數(shù)和指數(shù)b通常近似為- 2。在眾多的測量中,國際標準組織(ISO)建議道路分類方案基于S0的價值,表1所示(13 - 15)。 表1平方米的路面不平度S0程度/(周期/ m)參考空間頻率v0 51 = 2 p / m ISO提出的循環(huán)。路面不平度系數(shù)Gr 5 s0 = v20。 差 非常差 一般 非常好 好 S0意思 S0范圍， 道路分級 現(xiàn)在道路位移輸入的干擾可以被視為通過一階濾波器的白噪聲輸入。當一輛車驅動速度V和激發(fā)頻率空間激發(fā)頻率w=2πνv組成和有關的功率譜密度 和道路激勵的時間頻率可以獲得 添加一個小的截止頻率x0極限位移在有限的光譜頻率。因此,該位移擾動x0車輛輪胎可以表示由通過一階過濾器unit-intensity白噪聲信號w(t) 因為X0是非常小的，公式（5）也表明該地面速度輸入X0是一個白噪聲的2p GRV，它正比于路面粗糙度系數(shù)Gr和車輛行駛速度V。 2.3運行舒適感 人乘坐的舒適性是人類的主觀感知。研究已經表明，人類的感知很大程度上取決于加速度電平，頻率，方向和位置。ISO2631標準[16]特定ES通過加權均方根（RMS）與人振動靈敏度曲線加速度的曝光對人類振動影響到的評價方法。這種垂直振動低階濾波器由 Zuo 和Nayfeh[17]設計的。 輪胎，地面接觸力 速度 位移 加速度 車輛模型 道路模型 白噪聲 圖2塊關系圖視圖的機動車動態(tài) 在本季度車型，座椅動態(tài)不考慮。因此，乘坐舒適性將作為車體（代替人體）由ISO2631濾波器加權的加速度的RMS值來評價。 2.4道路處理和安全 在嚴重的振動下,車輪沒有足夠與地面接觸力甚至失去了聯(lián)系,這將導致車輛在指導、推進或制動時失去控制。因此,道路處理也被認為是一個重要的性能指標。這取決于輪胎和地面之間的動態(tài)和靜態(tài)接觸力。駕駛汽車時,總接觸力組成的靜態(tài)和動態(tài)負載，在高動力的車輛不可能被安全地處理，當動態(tài)和靜態(tài)接觸力的比值等于或大于1車輪將失去地面接觸。因此,道路處理指數(shù)被定義為動態(tài)加載靜態(tài)加載的比率。 由于路面不平度隨機的,評估處理用一個統(tǒng)計量,即均方根值輪胎和地面之間的動態(tài)/靜態(tài)力。 2.5電力收獲 可用的最大能量收獲量是由粘性阻尼耗散c2測查或提取。即阻尼力成正比的懸浮速度,即時是力量力乘以懸浮速度。因此,即時功耗 減震器的平均功率與懸掛的均方根(RMS)速度成正比。收獲的能量將產生一個懸架阻尼系數(shù)大于所需的值。 2.6性能系統(tǒng)H2規(guī)范 圖2示出包括路線動力學，車輛動力學和性能指標的框圖。并且可以得到整個系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。注意，該系統(tǒng)輸入是單位白噪聲。 線性系統(tǒng)理論，H2范數(shù)是根據白噪聲輸入的輸出與單元強度[18]的RMS值。因此，我們可以用H2范數(shù)的概念來獲取車身的加權RMS加速度（平順性），輪胎與地面（路面處理）之間的動態(tài)/靜態(tài)力的RMS值。 車輛速度[mph] 懸架位移[mm] 圖3位移分析在車輛速度:好路(虛線)和平均路(固體) H是傳遞函數(shù)從單位白噪聲輸入輸出性能。在狀態(tài)空間實現(xiàn),H2范數(shù)有效地計算求解一個線性方程。懸浮速度和動態(tài)輪胎力的傳遞函數(shù)僅僅是一個二階方程,它們的RMS值可以通過分析使用殘余物的方法，這將在3.1節(jié)中詳細進行評估。 3分析和仿真結果 在本節(jié)中,將進行典型的客車參數(shù)的分析。季度汽車的名義參數(shù)是改編自文獻[13]:輪質量m1=40公斤、車輛身體質量m2=362.7公斤,輪胎剛度k1=182087 N / m、懸架剛度k2=20053N/m、和懸架阻尼系數(shù)c2=1388N/m。因為大多數(shù)的美國高速公路的道路類別分為平均和良好,這些研究的道路粗糙度系數(shù)的有效Gr值為64×107和16×107，分別根據ISO C類和B類道路。 3.1懸架位移、速度和力量。 圖3和圖4顯示在0–100英里每小時車速范圍內懸掛的位移和速度的均方根值。當車輛行駛在良好（B級）和一般（C類）30–70mph道路上時RMS的懸浮速度是0.1–0.15和0.2–0.3m/sec。 圖5顯示出在不同車輛速度的可收獲功率。我們看到100 - 400 w的力量消散,或可能收獲,通過在60英里每小時行駛中等大小乘用車上良好和平均道路的四個減震器。應該注意的是,一個典型的汽車的汽車交流發(fā)電機500-600W是由曲軸驅動的50-60％的效率。此外,正在參考文獻[19]指出，平均功率390 w的電力相當于增加4%的燃油效率。 車輛速度[mph] 懸浮速度[m/s] 圖4對車輛速度速度分析:好(虛線)和平均路(固體) 由于式中的x0 Eq極小，小到可以忽略速度激勵可以被建模為強度的2pGRV的白噪聲（公式（6）），可以通過分析獲得汽車的平均功率，從地面向懸浮架傳輸速度可以寫成 因此可以使用殘留定理或RMS集成公式[20], 從方程式(8)和(10),得到在懸浮液中的平均功率， 因此,一個重要的觀察是,由于路面不平度的影響，懸浮架與粗糙度系數(shù)Gr、車輛運行速度V和輪胎剛度k1成正比，與懸架剛度，阻尼,彈簧或非簧載質量無關。這個結論是基于這樣的假設，由于路面的道路速度是白噪聲，其強度正比于粗糙度系數(shù)Gr和車輛行駛速度v。由于白噪聲頻譜的平整度，高的車輛行駛速度將在所有頻率均勻增加激勵，導致平均功率獨立的機械低通濾波器效應。 3.2運行舒適感和道路處理。 正如前面提到的,坐舒適性由人類振動靈敏度曲線加權車體加速度的RMS值測定。結果圖6所示，它表明車輛速度越高,垂直加權加速度更大,因此,舒適性會降低。相同的傾向發(fā)生在路面處理曲線圖7上,輪胎靜態(tài)力量隨著車速的增加而增加,表明在更高的行駛速度或粗糙路上,車輛有更高的風險失去輪胎與地面的接觸力,產生安全隱患。 平均路面 好路面 功率[W] 車輛速度[mph] 圖5電力潛在的懸架系統(tǒng)的一個典型乘用車在不同車輛的速度 懸架加速度[m/s2] 車輛速度[mph] 圖6不同車輛的速度行駛舒適:好(虛線)和平均路(固體) 靜態(tài)響應時間 車輛速度[mph] 圖7好路上騎車安全在不同的車輛速度(虛線)和平均路(固體) 重車加速度 輪胎地面接觸應力 收獲能量 車輛性能 名義輪胎剛度 圖8輪胎剛度對車輛性能的影響 由于傳輸速度從地面到車體加速度和輪胎偏轉僅在第四階形式 解析得來的加權車體加速度和動態(tài)靜態(tài)輪胎接地力的有效值比的RMS值也可以得到，如在附錄中。 3.3參數(shù)敏感性分析 進一步研究乘坐舒適性，道路處理和收獲功率靈敏度與車輛參數(shù)的變化的關系，包括車身和車輪，懸架的剛度和阻尼，以及輪胎剛度。這些研究是重要的，要了解平均功率，乘坐舒適性之間的權衡，引導再生懸架的設計。 充氣輪胎壓力 車輛性能 重車加速度 輪胎地面接觸應力 收獲能量 圖9 tire-wheel質量對車輛性能的影響 8-10的數(shù)據畫出規(guī)范化的輪胎的剛度、車輪的質量和車身質量的性能變化。在圖8中,我們可以看出輪胎剛度的變化對再生能力有很大的影響。無論是懸架和簧下質量都有影響。線性輪胎剛度增加收獲功率增大（可在輪胎氣壓較高時產生)。然而,一個較硬的輪胎會對乘坐舒適和道路處理造成負面影響。圖10和11表明,大的車輛車身質量和小的車輪質量是首選的乘坐舒適性和道路處理。 充氣輪胎壓力 車輛性能 重車加速度 輪胎地面接觸應力 收獲能量 圖10簧上質量對車輛性能的影響 乘坐舒適/道路處理/安全 頻響（Hz) 正常車輛系統(tǒng) 汽車輪胎壓力增加%50 車身結構質量增加%50 圖11頻率響應從地面到懸浮速度的名義和攝動車系統(tǒng) 懸架阻尼 乘坐舒適性 重車加速度 輪胎地面接觸應力 收獲能量 圖12懸架阻尼對車輛的影響 乘坐舒適性 懸架剛度 重車加速度 輪胎地面接觸應力 收獲能量 圖13懸架剛度對車輛的影響 圖12和13顯示了標準化的性能對懸架阻尼和剛度的變化。生動地說明了運行舒適感和道路處理之間的權衡。例如，根據圖12，最佳阻尼平順性表現(xiàn)在0.4 c2,雖然1.6 c2是最好乘坐安全性。平均功率對懸架剛度或減振器阻尼不敏感，原因是，當減震器阻尼減小時懸架速度增加,因此,平均功率不會改變。 4實驗評估 路試車輛進行能量潛力的評估,以驗證上述分析。 4.1實驗設置 實驗系統(tǒng)如圖14。英里ZX40S所有電氣低速汽車(2007英里汽車集團有限公司)作為測試車輛，在石溪大學的校園里進行數(shù)據采集。它有一個限制重量2398磅(1088公斤)的超小型汽車。這個校園車輛的最大速度為25英里每小時，輪胎是155/65R13。 圖14系統(tǒng)的實驗設置:道路試驗超緊湊的車輛在石溪校區(qū)道路 Micro-Epsilon激光位移傳感器安裝在后減震器上來衡量其擴展和壓縮,采樣頻率為1000赫茲。傳感器的分辨率為1Hz10μm和1000Hz50μm。行駛過程被記錄在一個便攜式的壓縮電腦，用不同車輛速度在相同的校園道路上進行測量并做出比較。 4.2懸架位移、速度和能量 圖15顯示了一個典型的位移在實驗中得到了25英里每小時車速。位移瞬時峰值可高達40毫米，但是這組數(shù)據的RMS值是4.6毫米。 該懸浮液速度是從測得的位移通過取導數(shù)和施加第四階巴特沃斯濾波器帶寬0.1-100赫茲[21]的計算。峰值瞬時速度是0.75 m / s,速度的均方根值0.086米/秒。 時間（Sec） 位移（mm） 圖15校園減震器位移測量路在25英里每小時。均方根位移為4.6毫米。 速度（mm/s） 時間（Sec） 圖16減振器壓縮和擴展的速度在校園的車輛時速25英里路。均方根速度是0.086 m / s。 瞬時功率[w] 時間（Sec） 圖17能量耗散率的一個減震器時速25英里瀝青校園路,RMS514.6W一個減震器 圖1-圖17顯示出在25英里每小時車速的校園道路上一個減震器的能量耗散率。一個減震器的RMS功率為14.6W，而這種超小型汽車的總功率是58W。圖15和圖16是減震器本身的位移和速度。減震器不垂直安裝,θ是減震器和垂直彈簧軸之間的角度。在實驗中設置θ約為30度。因此,RMS懸浮速度為25英里每小時0.086 / cos(30deg)=0.099米/秒。 功率 車輛速度[mph] 圖18測量懸浮力(平方)的沖擊吸收器在超緊湊型車校園道路和理論預測一個減震器的中間尺寸車好(虛線)和平均路(固體) 4.3車輛速度的影響力量 進一步的數(shù)據在5到25英里/小時的速度每次遞增5英里。在超小型車輛的各種行駛速度的懸浮架功率繪制在圖18中。我們基于理論預測，典型的中等大小的汽車總控制體重3551磅(1610.8公斤),超過了48%測試車輛。 我們希望使用超小型汽車的參數(shù)預測,但遺憾的是我們沒有懸架剛度、輪胎剛度和輪胎質量的參數(shù)。如果這兩個汽車的固有頻率和阻尼比是相同的,中型車的輪胎剛度應該是測試車輛的2.2(1.482?)倍。所以在實驗中獲得的能源數(shù)據在圖18應乘以2.2然后與預測進行比較。實驗和預測之間的總體趨勢匹配良好。與速度的線性關系，潛在的力量會略有增加。其原因是，在校園道路不是直的，而振動分量由于線性速度平方代替速度本身使離心力增大。 5結論 在本文中，我們評估了道路不平順引起的車輛懸架的功率潛力和能量收集，乘坐舒適性和道路處理之間的權衡。地面凹凸被建模為具有一定的粗糙度系數(shù)函數(shù)和功率譜密度的高斯平穩(wěn)隨機過程。該系統(tǒng)的H 2范數(shù)是用來評估的平均功率在懸架，均方根加權加速度（平順性）和有效的輪胎地面接觸力（路面處理）在不同的車輛速度和道路條件。采用四分之一車模型，可應用于半或全車模型。此外，車輛性能的系統(tǒng)參數(shù)的敏感性研究，在數(shù)字計算的基礎上，我們還在大學校園道路上測試了一個超級緊湊的車輛，通過測量位移的減震器和估計在不同的車輛速度的懸掛功耗，實驗結果與數(shù)值模擬結果吻合得很好。 從本研究可以得出以下結論: (1)100-400 w功率(平均值)是可用一個典型的中型客車的減震器在60英里(B類)和平均(C類)的道路;道路試驗的超緊湊車在校園道路上,60 w的能量潛力估計25英里每小時的速度。 (2)平均功率可能取決于路面不平度Gr、車輛速度V和輪胎剛度k1。在常見的假設位移譜密度逆v特殊頻率的平方成比例,道路速度譜是白噪聲,一個簡單的線性關系存在為?pGrVk1,這是不敏感的減震器阻尼懸架剛度的變化,減震器的阻尼，車輛的懸掛質量和非懸掛質量。 (3)只有輪胎剛度對車輛懸架的動力有影響，同時懸架剛度和阻尼對平順舒適性和安全性的影響最大；懸架剛度和阻尼之間的最佳乘坐舒適性和最佳道路處理?；上沦|量和重簧載質量是首選的乘坐舒適性和道路處理。 (4)輪胎剛度較高時(如較大的輪胎壓力)暫停消耗更多的功率,或再生系統(tǒng)收獲更多的能力;然而,乘坐舒適性和道路處理將變得更糟。從這個意義上講,收獲更多的能量并不意味著更好的減振或更好路處理。另外,在評估車輛的燃油效率上公路滾動阻力也應該被充分考慮。 致謝 感謝來自紐約州能源研究和發(fā)展管理局（NYSERDA）和DOT大學交通研究中心（UTRC-II）的資金支持。我們要感謝Jin O,Connor和石溪大學運輸業(yè)務的David McSvoy提供測試車輛和學生Xiudong Tang,Annie cheng協(xié)助道路測試。 參考文獻 [1]Sharp,R.,和Crolla,D,1987,“公路車輛懸架系統(tǒng)設計阿明費審查?！毕到y(tǒng)。直流發(fā)電機,16(3),167- 167頁。 [2]Zuo,L.,Scully,B.,Shestani,J.,和Zhou,Y.,“設計和描述車輛的電磁能量收割機懸浮液,”聰明板牙。結構體。19(4),p . 045003。 [3]Zhang,Y.,Yu,F和Huang,K.,2009,“藝術回顧再生的狀態(tài)車輛主動懸架,“第三屆國際研討會論文集在機械工程和力學(ICMEM),北京,中國,10月研討會。 [4]Karnopp,D.,1989,“永磁直線電機作為變量機械阻尼器對于車輛停止,”阿明費。系統(tǒng)。直流發(fā)電機,18歲,187 - 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